Xcell China 28 - (Page 14) 技 術 專 欄 VLIW DSP-CPU 性能不足 至此，我們一直假定每像素 8 位，這 很適合 32 位架構的 DSP-CPU 處理器。然 而，新型 CMOS 圖像傳感器的分辨率範圍 較高，即每像素 12 到 14 位。對於這些數 據類型，32 位架構的傳統四路 8 位子字 ，必須換用雙路 16 位半字 SIMD 不夠有效 其中的子字並行度僅為二 。因此，由 SIMD， 於計算一個 MAE 需要較多時鐘週期，最 高性能大幅度下降。 表 3 所示為在 TI VLIW DSP-CPU 上使 用 16 位子字指令計算 SAD 時可能的偽匯 編代碼，假定延遲正確且函數發射時隙允 許執行這種指令。因此，一個 4 x 4 的塊需 要八個週期，而並行處理兩個和三個塊分 別需要 10 個和 12 個週期。這時 ，相應的 最高性能分別為 75 MMAE/s、 120 MMAE/s 和 150 MMAE/s。這些數字都比使用 8 位 子字指令得到的數字小。 作為參 考，仍然用 15 0 M H z 頻率， Spar tan 3A-DSP 1800A 器件僅使用整個 FPGA 器件的 70% 即可並行處理多達 23 個塊 （70% x 16,640 Slice/508 Slice/塊 = 。與此對應的最高性能是 3,529 2 3 塊） MMAE/s，這至少要比 600 MHz 的 TI DSPCPU 的最高性能高 25 倍。 我們對於 FPGA 的估算時鐘頻率相當 保守 （以 150 MHz 對 250 MHz） ，對於運 動估算的搜索區也是如此 （搜索區越大， 需要計算的 MAE 的數量就越多） 。例如， 30 x 30 的搜索區需要 609 MMAE/s 的性能 （遠遠超過 VLIW DSP-CPU 的能力） ，然而 卻僅佔用 1800A 器件上 Slice 的 12%。 最後，我們在實現 MAE 時根本未使用 DSP48 MAC 單元：據我們估計，如果用四 個 DSP48 單元取代由 100 個 Slice 組成的 加法器樹，則一個 12 位輸入數據 MAE 的 （782 個觸發器 4 x 4 塊會佔用 400 個 Slice 和 400 個 LUT） 和四個 DSP48。 因此，Spartan-3A DSP 1800A 器件非常 適合需要極高處理性能、 靈活性和可縮放 性的視覺應用，如未來型汽車駕駛員輔助 系統中的視覺應用。 結論 我們以汽車視覺應用為例說明瞭如何 利用中型低成本 Xilinx FPGA 的可編程並 行處理能力提供超過 VLIW DSP-CPU 的處 理性能。表 4 列出了我們的分析結果。 請注意，對於 12 位像素數據的 4 x 4 塊的 MAE 計算，Spar tan-3A DSP 的性 能 僅 以 四 分之一 時 鐘 速 度 即 可 達 到 T I TMS320DM6437 的兩倍。另外，FPGA 的資 源佔用率僅為 6%，因此可以在同一器件 上 實現其他圖像 處 理功能 （必要時可採 。 納並行處理） 另一方面，V L I W DSP-CPU 在 SAD 計 算期間被完全佔用， 消 耗 串 行處 理器 長 指令的可用時隙，因 此很 少有 機會同 時 執行其他功能。 Spartan-3A DSP FPGA 的 SAD 和 MAE 性能 為了填補 Spartan -3 和 Virtex -4 器 件之間的 處 理性 能空白，X i l i n x 推出了 Spartan 3A-DSP 1800A 和 3400A FPGA。這 些器件採納了 Vir tex-4 器件中的 DSP48 Slice 的修改版。另外，3A-DSP 器件包括 大 量片上存儲器（Blo c k R A M） 。這兩方 面增強加上針對大量應用制訂的價位使 3A-DSP 器件非常適合汽車視覺 DA 系統。 圖 3 所示為 S p a r t a n -3 A D S P 18 0 0 (XC3SD1800A-4FG676) 器件上的四路 12 位像素的 SAD 計算方案。此實現是使用 （Xilinx System Generator for DSP 設計流程 提供的 Simulink 工具中的數位和週期都 精確的可綜合庫） 完成的。所需資源數量 是 121 個 Slice （236 個 LUT 和 140 個觸發 器） 。將此結構複製四次並且加上部分結 果，即得到整個 4 x 4 塊的計算方案，該方 案需要 508 個 Slice （990 個觸發器和 606 個 LUT） 具有一個週期吞吐量 ， （這意味着 可從任意時鐘週期開始計算新的 MAE） 和 七個週期延遲。 如果使 用 15 0 M H z 時鐘頻率（該器 件最高時鐘頻率為 250 MHz） ，只需要兩 個並行結構 （約佔器件面積的 6%） 即可 達到 300 MMAE/s 的性能， 從而滿足示例 應用的 250 MMAE/s 性能要求。這樣可以 節省大量資源用來實現其他圖像處理功 能、數據路由管道、存儲器接口控制器以 及一個用於串行處理和外部通信的 32 位 MicroBlazeTM 嵌入式處理器。 TM TM 器件 應用示例要求 配置 752 x 480 圖像 4 x 4 像素塊 20 x 20 像素搜索區 8 位像素深度 並行處理 三個 4 x 4 塊 ： 8 位像素深度 並行處理 三個 4 x 4 塊 ： 12 位像素深度 並行處理 三個 4 x 4 塊 ： 12 位像素深度 並行處理 兩個 4 x 4 塊 ： （約為 器件資源的 6%） 時鐘頻率 性能 不適用 >250 MMAE/s Philips Nexperia PNX 1500 VLIW DSP-CPU TI TMSD320DM6437 VLIW DSP-CPU TI TMSD320DM6437 VLIW DSP-CPU Xilinx Spartan-3A DSP 1800A FPGA 300 MHz 600 MHz 600 MHz 150 MHz 100 MMAE/s 163.64 MMAE/s 150 MMAE/s 300 MMAE/s Xilinx Spartan-3A DSP 1800A FPGA 150 MHz 12 位像素深度 並行處理 ：23 個 4 x 4 塊 （約為 器件資源的 70%） 表 4 – 結果匯總 3450 MMAE/s 下一步（請點擊下列資料了解詳細內容:） • 評估 System Generator for DSP 設計工具。 • 獲取有關 Spartan-3A DSP 1800A 器件的更多信息並購買該器件。 • 購買 Spartan-3A DSP 3400A 版 XtremeDSP 開發平台。 14 賽靈思中國通訊 28期 http://china.xilinx.com/ise/optional_prod/system_generator.htm http://china.xilinx.com/products/silicon_solutions/fpgas/spartan_series/spartan3adsp_fpgas/index.htm http://china.xilinx.com/products/devkits/HW-SD3400A-DSP-DB-UNI-G.htm
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